Temperaturwahrnehmung durch Nanostrukturen in Zellmembranen

Unter dem Heat Shock Response der Zelle versteht man alle zellulären Vorgange, die durch verschiedenste Änderungen der zellulären Umgebung ausgelöst werden. Es ist von großer Relevanz, zu verstehen, wie Zellen auf solche Einfluesse reagieren und sich darauf hin adaptieren, besonders unter pathophysiologischen Bedingungen. Ursprünglich wurde der klassische Heat Shock Response der Proteindenaturierung zugeschrieben. Die Expression von Heat Shock Proteinen (hsp), sogenannten molekularen Chaperonen, findet in vielen Fällen jedoch auch unabhängig von Proteindenaturierung statt. Immer mehr Untersuchungsergebnisse unterstützen die Membransensorhypothese, welche besagt, dass durch Änderungen in der Plasmamembranzusammensetzung und deren Organisation die relative Expression der heat shock Proteine moduliert werden können. Um zu verstehen, wie membranassoziierte Prozesse der Stresswahrnehmung und die Weiterleitung der damit verbundenen Signale funktionieren, ist es notwendig, den Einfluss der Ultrastruktur der Membran auf die Signalverarbeitung (und vice versa) genau zu untersuchen. Dieses Projekt setzt seinen Fokus auf die Zell-zu-Zell Unterschiede beim zellulären Heat Shock Response. Insbesondere werden Änderungen der Protein- und Lipidlevel, sowie Änderungen in der Organisation der Plasmamembran nach einem Hitzeschock untersucht werden, um damit den Zusammenhängen dieser beiden Prozesse auf Einzelzellniveau auf den Grund zu gehen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir die komplementären Expertisen unserer Forschungsgruppen (molekulare Stressbiologie in Szeged und Einzelmolekülmikroskopie in Wien) kombinieren. Detaillierte lipidomische und proteomische Analysen werden durch Einzelmolekültechniken und Image Fluorescence Correlation Spectroscopy (imFCS) methodisch ergänzt. Unsere Ziele sind: (i) die Unterschiede in der Temperaturwahrnehmung einzelner Zellen mit Unterschieden in der nanoskopischen Organisation ihrer Plasmamembran in Zusammenhang zu bringen; (ii) die Korrelation zwischen Membranzusammensetzung und -organisation aufzuklären; (iii) die Abfolge der frühen Ereignisse auf Grund von Temperaturstress zu identifizieren; (iv) neue membranassoziierte Hitzesensoren zu identifizieren und (v) die Rolle der Zellzyklusphase bei der Wahrnehmung von Hitzestress aufzuklären.

Wie kann eine biologische Zelle Temperaturänderungen wahrnehmen? Ursprünglich wurde diese Rolle der Denaturierung von speziellen Proteinen zugeschrieben. Allerdings findet diese noch nicht bei derart niedrigen Hitzeschocks statt, welche bei fieberartigen Temperaturen und damit 2-4C über der physiologischen Körpertemperatur liegen, aber trotzdem eine Reaktion der Zelle auslösen. Kürzlich durchgeführte Studien deuten darauf hin, dass die Plasmamembran der Zelle der eigentliche Sensor sein könnte. Kleine Temperaturänderungen konnten dabei die Zahl der sogenannten Hitzeschock-Proteine in der Zelle ändern, welche die Aufgabe haben, den Effekten dieser Temperaturänderung entgegenzuwirken. In unserer Studie wollten wir herausfinden, ob und wie nanometergroße Strukturen auf der Außenseite der Plasmamembran lebender Zellen am Prozess der Temperaturwahrnehmung involviert sind. Dazu haben wir eine kürzlich entwickelte Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie-Technik verwendet, die überhaupt erst den Nachweis von Nanostrukturen auf der Oberfläche ermöglicht. Mobile Nanostrukturen wurden dabei anhand ihrer Eigenschaft nachgewiesen, lipidverankerte fluoreszierende Proteine stabil zu assemblieren. Anpassungen unsere Technik haben in weiterer Folge ermöglicht, den Zerfall und die Wiederentstehung dieser Nanostrukturen bei Temperaturerhöhung bzw. - verringerung direkt unter dem Mikroskop zu verfolgen. Interessanterweise war die dafür benötigte Zeit viel länger als die notwendige Dauer der Temperaturänderung. Da außerdem auch Endo- und Exozytose von Nanostrukturen durch die Temperaturänderung beeinflusst wurden, konnten wir auf einen indirekten Effekt schließen, der zu einer Änderung der Nanostrukturen führte, und somit einen direkten temperaturinduzierten Effekt ausschließen. Unterstützt wurden unsere Schlussfolgerungen auch durch die Tatsache, dass die intrazelluläre Kalziumkonzentration nach dem Hitzeschock anstieg, und möglicherweise der Ursprung der beobachteten Membranänderungen sein könnte. Weiters untersuchten wir den Effekt von oxidierten Phospholipiden, die eine große Rolle bei Atherosklerose spielen, auf die beobachteten Nanostrukturen. Ähnlich wie beim Hitzeschock konnten wir einen konzentrationsabhängigen Zerfall der Nanostrukturen bei Anwesenheit zweier unterschiedlicher oxidierter Phospholipide nachweisen, der hier allerdings auch mit einem Signal für den programmierten Zelltod einherging. Wiederum konnte unsere Studie zeigen, dass der Zerfall der Nanostrukturen nicht auf die bloße Anwesenheit der oxidierten Lipide zurückzuführen ist, sondern durch einen indirekten Mechanismus verursacht wird, bei dem ein Enzym an der Zellinnenseite maßgeblich beteiligt ist.